高地应力软岩隧道基底病害及工程措施
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（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）
摘要:本文依托川藏线上高岩温隧道相关资料，首先调研了现有高地应力的分级，其次针对高地应力围岩条件下软岩隧道基底病害——底臌，总结其变形的机理和原因，归纳了底臌的控制措施，为类似的隧道工程提供参考。
关键词：隧道底鼓；变形机理；控制措施 中图分类号： 文献标识码：
High stress soft rock tunnel bottom damage and engineering measures
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(China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd, Chengdu, Sichuan 610031, China) Abstract：This paper relies on data of high temperature of rock tunnel on the Sichuan Tibet line. Firstly, the classification of high ground stress is investigated. Then the high geostress tunnel bottom soft rock surrounding rock under the condition of the disease -- the bottom heave. Summarizing the mechanism and reason of the deformation of the floor heave control measures are summarized,This paper provides reference for similar tunnel projects.
Key words: Drum at the bottom of the tunnel; Deformation mechanism; The comprehensive measures
1. 高地应力软岩概述
近年来，随着我国交通事业的不断发展，穿越高地应力区软岩隧道越来越多，给我国隧道设计和施工带来了新的挑战。川藏线主要穿越了青藏高原的四条板块缝合带，板块缝合带的不良地质构造会对下穿的隧道造成很大的影响，会产生高温高压地下水（地热）、软岩变形和岩爆风险（高地应力）、活动断裂、斜坡崩滑、泥石流等灾害。
其中新都桥~林芝段南线国道318线高尔寺山，工卡拉山，剪子湾山等埋深仅几百米的越岭隧道均出现不同程度的大变形。通过工程类比，由新都桥至理塘越岭深埋隧道多为砂板岩等软质岩，因此存在大变形的风险较北线高。北线共计存在软岩大变形风险隧道7座，南线存在软岩大变形风险的隧道为10座。因此控制高地应力软岩隧道基底的变形成为隧道建
设中亟待解决的问题。 1.1 高地应力分级
对于地应力的分级，国内外没有统一的标准，目前主要采用3种方法进行分级[1]。 (1)数值法:工程实践中往往将大于20～30MPa的地应力称为高地应力。
(2)应力比法:采用水平应力和垂直应力的比值(n)进行分级。n=1～1.5时为一般应力，n=1.5～2时为较高地应力，n>2时为高地应力。该方法强调了水平应力的作用。
(3)强度应力比法:采用岩石单轴抗压强度和最大水平主应力的比值（Rb?max）,沪进行地应力分级，该方法反映了岩体的承压能力。世界部分国家按该方法进行地应力分级结果见表1-1。
表1- 1 世界部分国家地应力分级标准
国家、地区及单位 强度应力比 极高地应力 法国隧协 日本应用地质协会 前苏联顿巴斯矿区 中国《TB10003-2005铁路隧道设计规范》 根据《铁路隧道设计规范》，初始应力评估见表1-2。
表1- 2 初始地应力场评估基准
初始地应力状态 极高应力 硬质岩开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离“新生裂缝多”成洞性差 软质岩岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离\位移，极为显著，甚至发生大位移\持续时间长，不易成洞 高应力 硬质岩开挖过程中，可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差 主要现象 评估基准 <4 高地应力 <2 <2 <2.2 4～7 中等地应力 2～4 2～4 2.2～4 低地应力 >4 >4 >4 (Rc/?max) ?4 4:7 软质岩岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差 岩石单轴饱和抗压强度Rc与定性划分的岩石坚硬程度对应关系，见表6-3。
表6- 3 Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系
Rc/MPa 坚硬程度 <5 极软岩 5～15 软岩 15～30 较软岩 30～60 较坚硬岩 >60 坚硬岩 2. 高地应软岩隧道底臌机理和原因
2.1底臌的机理
在软岩隧道基底变形中，底鼓往往占据了很大一部分，隧道的底鼓容易引起线路的不平顺，危害行车安全。根据围岩岩性将隧道底鼓分为四类：①膨胀性软岩底鼓；②高应力软岩底鼓；③节理化软岩底鼓；④复合型软岩底鼓。每类软岩隧道底鼓的机理和特征见表2-1[2]。
表2- 1 软岩隧道底鼓变形机理及特征
软岩类型 膨胀性软岩 变形机理 遇水发生物理，化学反应 高应力软岩 节理化软岩 岩石在高应力 作用下变形 强度低、完整性差、结构而发育 复合型软岩 高应力-强膨胀复合软岩 高应力-节理化复合软岩 高应力-节理化-强膨胀复合软岩 2.2 底臌的原因 （1）隧道围岩强度低
隧址区地质条件复杂，且具有一定的地质构造应力作用。泥质粉砂岩、泥岩等围岩条件下，节理裂隙发育，强度较低。隧道开挖后，原始地应力释放掉一部分，围岩发生卸荷和应
高应力下加剧围岩膨胀 节理、结构而在应力作用下滑移、变形 综合作用 拥有多种变形特征 岩爆、片帮、塑性挤入 全断而塑性挤入、扩容、掉块 片帮、底鼓、塑性挤入 滑移、扩容、崩解 变形特征 塑性挤入、底鼓 力重分布。围岩切向应力增加，塑性圈半径扩大，变形破坏，由隧道浅部向深部扩展，再加上底部积水，使底部围岩产生不可逆的物理、化学变化，使岩体软化加剧:一方面使水在岩体中渗透更加方便;另一方面使围岩裂隙增大和扩张，变形量加大，产生一定量的底鼓。桃树娅隧道发生底鼓破坏的主要内在因素是围岩岩性较差[3]。 （2）软岩遇水软化和膨胀
膨胀性软岩(蒙脱石、伊利石等)遇水后会出现泥化、膨胀、崩解和破碎等现象隧道底板岩体强度会随着地下水的侵蚀进一步降低。隧道底板岩体强度下降后在水平应力作用下将进一步破坏，此时水更容易渗透至隧道底板更深部的岩层，加剧底板深部岩层的水理作用，使得底板更大范围内的岩体强度降低，破坏范围进一步扩大。水是引发底鼓的主要环境因素[3]。 （3）软岩的流变
软岩具有典型的流变性。在隧道底部围岩压力作用下，隧道底板岩体将向隧道内空发生整体流动，当该岩体的流变性能超过其抗拉强度极限值时，隧道底板将出现竖向裂隙，最终发生底鼓。岩体流变引起的底鼓与时间密切相关，并随着时间的增长而增大[3]。
3. 高地应力软岩隧道底臌控制措施
3.1底臌工程实例
表3- 1 软岩隧道底臌汇总
序号 名称 1 关角铁路隧道[4] 2 海代尔引水隧洞[5] 3 扫石公路隧道 4 辛普伦隧道[6] 瑞士-意大利(1906) 围岩为石灰质云母-片岩 隧道在竣工若干年后，强大的山体压力再次引起横通道边墙、拱部和隧底破裂、隆起 5 家竹青铁路隧道[7] 中国南昆线(1992-1997泥质砂岩、页岩及煤层煤系地层，原始地应力 在变形最严重的洞段，底臌80~ 100cm； 中国 地点 中国青藏线(1977) 地质简况 泥质片岩，最大埋深500m左右 工程情况及大变形特征 施工期间，隧底上鼓约1m，通车后不久，隧底便上鼓30cm， 通车三年以后(1982年11-12月)，隧底隆起80cm， 通车后，隧底隆起，边墙再次开裂 印度(1979) 千枚岩、页岩及各类片岩等。 薄层泥灰岩 ) 3.2 底臌控制措施 3.2.1 传统控制措施
8.5～16 MPa 根据控制原理的不同，传统的底鼓控制方法可分为加固法与卸压法两大类。加固法主要通过提高底板围岩强度以控制底鼓;卸压法主要是通过切缝等卸压措施，将巷道及底板的应力向深部转移，降低底板岩层应力，从而达到控制底鼓的目的。底臌控制方法简介见图3-1，具体的设计方案见表3-2[8]。
底板锚杆 底板注浆 加固法 封闭式支架 混凝土反拱
底臌控制方法 切缝卸压法
打孔卸压法
卸压法 松动爆破卸压法
掘巷卸压法
联合支护法
图3- 1 底臌控制方法简介
表3- 2 底臌防治的不同方案设计[9]
方案 1 2 3 4 底臌防治措施 底板锚杆 底板注浆 底板开槽卸压 底板设置反拱 主要技术参数 9根长5×?22mm间距为0.6～0.8mm的高强度锚杆， 向底板下3 m范围内的岩层注入水泥浆液 卸压槽长度4 m,槽宽0. 5 m 反拱形状为圆弧形，反拱设计厚度为250 mm.拱高800 mm，曲率半径为5357 mm 5 6 药壶爆破卸压 爆破卸压与注浆加固联合 底板下3～5 m范围进行超前钻孔爆破 方案5与方案2联合